Chuyên đề Anten thông minh

Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Company name ‹#› Click to edit Master title style www.themegallery.com Chuyên đề: ANTEN THÔNG MINH Môn học: TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN Giảng viên hướng dẫn: Ths. Phạm Thị Thúy Hiền Lớp: D11VT6 Sinh viên thực hiện: [1] Đặng Văn Quý [2] Phạm Thế Anh LỜI NÓI ĐẦU Do nhu cầu truyền thông di động không ngừng gia tăng, nhu cầu cần vùng phủ sóng và chất lượng đường truyền tốt hơn, đặt ra bài toán làm sao để sử dụng hiểu quả phổ vô tuyến. Hệ thống anten thông minh có khả năng sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến, do đó mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn cho hệ thống không dây hiện nay, đó là đạt được tốc độ đường truyền dữ liệu cao với độ đáng tin cậy cao hơn. Hôm nay, nhóm em xin trình bày sơ lược về anten thông minh, qua đó làm rõ được khái niệm, phân loại, cấu trúc, ứng dụng, ưu nhược điểm của anten thông minh, cũng như những kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh và ý nghĩa của nó trong thông tin di động. Tìm hiểu về anten thông minh NỘI DUNG CHÍNH 3. Phân loại anten thông minh 4. Cấu trúc hệ thống anten thông minh 5. Các kỹ thuật được sử dụng 6. Ưu điểm và hạn chế 7. Ứng dụng trong thông tin di động Tìm hiểu về anten thông minh 1. Giới thiệu anten thông minh 2. Khái quát nguyên lý hoạt động 1. GIỚI THIỆU ANTEN THÔNG MINH Khái niệm: Anten thông minh là một hệ thống dàn anten gồm nhiều phần tử anten có độ lợi thấp được bố trí phù hợp về mặt hình học và kết nối liên thông về điện để tạo ra một giản đồ phát xạ định hướng mong muốn. Anten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong tế bào di động. Tìm hiểu về anten thông minh Hình 1.1 Anten thông minh Tại sao cần anten thông minh? Hệ thống thông tin liên lạc không dây, đặt ra một số thách thức đặc biệt, đó là: Mật độ phân bố phổ hạn chế trong một giới hạn về công suất. Môi trường truyền sóng vô tuyến và di chuyển của người sử dụng làm phát sinh pha đinh tín hiệu, phân bố theo thời gian, không gian và tần số. Tuổi thọ pin hạn chế ở các thiết bị di động đặt ra hạn chế về công suất. Ngoài ra, hệ thống truyền thông không dây di động phải đối mặt với sự khan hiếm phổ tần số.  Việc áp dụng thương mại hóa kỹ thuật ăng ten thông minh là một lời hứa tuyệt vời để giải quyết các vấn đề suy hao trong môi trường truyền thông không dây. Tìm hiểu về anten thông minh 1. GIỚI THIỆU ANTEN THÔNG MINH Sự khác biệt của anten thông minh so với anten thường: Khác nhau về vùng bức xạ: Anten thông minh có những búp sóng (beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường. (xem hình 2.1) Anten thông minh gồm nhiều phần tử anten kết hợp với bộ xử lý tín hiệu số có tác dụng kết hợp tín hiệu sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt. Tìm hiểu về anten thông minh 1. GIỚI THIỆU ANTEN THÔNG MINH Hình 1.1 Vùng bức xạ của anten thường và anten thông minh 2. KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Khái quát ý tưởng: Hệ thống ăng ten thông minh được phát triển dựa trên một ý tưởng hoạt động của cơ quan thính giác con người. Một người xác định hướng truyền đến của một âm thanh bằng một quá trình 3 giai đoạn sau: Tai của một người hoạt động như một bộ cảm biến âm thanh và thu tín hiệu. Bởi vì khoảng cách giữa hai tai, nên mỗi tai nhận một tín hiệu với thời gian trễ khác nhau. Não người, là bộ xử lý đặc biệt, thực hiện hàng trăm phép tính để phân tích thông tin và tính toán vị trí của âm thanh thu được. Tìm hiểu về anten thông minh Hình 2.1 Khả năng định hướng của tai người Ví dụ hai người nói chuyện trong một phòng biệt lập. Não người có khả năng định hướng tín hiệu và phân biệt giữa nhiều tín hiệu có hướng đến khác nhau. Nếu một người mới tham gia vào cuộc nói chuyện, bộ não có thể tăng cường tín hiệu thu từ người nói đáng quan tâm và bỏ ngoài âm thanh nhiễu không mong muốn. Người nghe có khả năng phân biệt giọng nói của một người giữa nhiều người đang nói đồng thời, và tập trung vào một cuộc hội thoại tại một thời gian. => Âm thanh nhiễu không mong muốn được giảm bớt. Ngược lại, người nghe có thể đáp trả lại cùng hướng như hướng của người nói bằng việc định hướng miệng (hay bộ phát) của người đó hướng về phía người nói. Tìm hiểu về anten thông minh 2. KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hệ thống Ăng ten điện thông minh làm việc tương tự bằng cách: Sử dụng 2 ăng ten thay cho 2 tai, một bộ xử lý tín hiệu số thay cho “bộ não” như hình 3.2. Dựa trên thời gian trễ của tín hiệu, bộ xử lý tín hiệu số tính toán hướng đến (DOA) của tín hiệu quan tâm (SOI), và điều chỉnh pha để tạo ra kiểu bức xạ chỉ tập chung vào SOI trong khi loại bỏ các tín hiệu nhiễu hay tín hiệu không quan tâm (SNOI). Tìm hiểu về anten thông minh Hình 2.1 Khái quát nguyên lý anten thông minh 2. KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten. Quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming. Bộ xử lý tín hiệu số của anten thông minh xử lý tín hiệu theo 2 tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR). Tiêu chuẩn cực tiểu lỗi trun bình quân phương (MSE).  2. KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 2.3 Đồ thị tính hướng khái quát của anten thông minh Tìm hiểu về anten thông minh Tín hiệu đến các phần tử Anten, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu ra.  Chính bộ trọng số này giúp Anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn.  Bằng cách sử dụng các giải thuật thích nghi trong quá trình beamforming, bộ trọng số này luôn được cập nhật để Anten thông minh có thể bám theo các thuê bao khi họ di chuyển.  Tìm hiểu về anten thông minh 2. KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh Về cơ bản, anten thông minh gồm 2 loại chính: Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam Antena). Anten dàn thích nghi (Adaptive array atenna). Tìm hiểu về anten thông minh 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Hình 3.1 Minh họa vùng phủ sóng của anten chuyển búp, anten dàn thích nghi và anten thường Đặc Điểm: Gồm các anten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển. Được trang bị thêm những bộ phận mới để phát triển mở rộng hệ thống tế bào, người ta có thể bổ sung bằng cách cộng thêm những địa chỉ thông minh cần thiết trong mạng sau khi đã tính toán kỹ càng. Tìm hiểu về anten thông minh 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Hình 3.2 Hệ thống SBA đơn giản Anten chuyển mạch búp sóng (SBA): Công dụng: Hệ thống SBA có thể nâng cao vùng phủ của trạm gốc hơn từ 20% đến 200% so với hệ thống phân vùng tế bào cổ điển phụ thuộc vào hoàn cảnh môi trường phần cứng và phần mềm được dùng . Vùng phủ sóng được cộng thêm có thể tiết kiệm nguồn nhân lực, giá cơ sở hạ tầng thực tế và giá trung bình cho người tiêu dùng sẽ thấp hơn . Ưu điểm: Đơn giản, dễ lắp đặt. Nhược điểm: Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten Không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…. Tìm hiểu về anten thông minh 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Anten dàn thích nghi(AAA): Đặc điểm: Là một hệ thống bao gồm một giàn các chấn tử anten và một bộ xử lý thích ứng thời gian thực cho phép điều khiển búp sóng tự động thông qua các tiêu chuẩn lựa chọn thuật toán Biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực. Tìm hiểu về anten thông minh Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống AAA đơn giản 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Ưu điểm: Dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt nhờ tính chất động của hệ thống anten. Khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống SBA, lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…. Nhược điểm: Hệ thống phức tạp. Tìm hiểu về anten thông minh 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Hình 3.4 Minh họa búp sóng của 2 thuê bao trong hệ thống anten dàn thích nghi Tìm hiểu về anten thông minh 3. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH So sánh hệ thống SBA và AAA: TIÊU CHUẨN SWITCHED BEAM ADAPTIVE ARRAYS Cấu trúc Lắp đặt đơn giản Giá thành thấp Bộ thu-phát phức tạp Giá thành cao Ít phần cứng dự phòng Vùng phủ sóng Vùng phủ sóng rộng hơn so với hệ thống thông thường nhưng hẹp hơn hệ thống AAA. Vùng phủ sóng rộng hơn hệ thống SBA. Giảm nhiễu Khó khăn trong việc phân biệt nhiễu và tín hiệu quan tâm. Không phản ứng với sự chuyển động của nhiễu. Tập trung triệt để vào tín hiệu quan tâm. Có khả năng loại bỏ nhiễu triệt để Hệ thống anten thông minh gồm nhiều anten cấu thành mạng, các anten thành phần đó hoàn toàn giống nhau. Các chấn tử của dàn anten thông minh có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học khác nhau như: Kiểu tuyến tính cách đều. Dãy tròn đồng đều. Dãy không gian phẳng đồng đều. Tìm hiểu về anten thông minh 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH Hình 4.1 Một số cấu trúc của anten thông minh Cấu trúc cơ bản hệ thống anten thông minh: Bằng các phương pháp toán học người ta có thể đưa ra được thêm các cấu trúc hình học mới. Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện sau: Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi anten. Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần. Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten. Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng. Tìm hiểu về anten thông minh 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào từ các phần tử anten được kết hợp với nhau để tối ưu hoá công suất sẵn có nhằm tạo được một mức độ phủ sóng nhất định. Lợi ích: tăng độ rộng vùng phủ và tăng khoảng cách phủ sóng. Khi sử dụng anten thông minh ở các khu vực này cho phép tăng bán kính phủ sóng của trạm nhiều lần so với anten đẳng hướng hay anten sector như mô tả trong Hình 5.1. Tìm hiểu về anten thông minh 5. CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH Hình 5.1 Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA): Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian Lợi ích: cho phép hệ thống sử dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn. Tiết kiệm công suất: Kết hợp các tín hiệu vào từ các phần tử để tối ưu hóa tăng ích xử lý. Lợi ích: Giảm chi phí. Chi phí cho bộ khuếch đại công suất thấp hơn, công suất tiêu thu thấp hơn và độ tin cậy cao hơn. Tìm hiểu về anten thông minh 5. CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH Giảm nhiễu đường truyền: Các búp sóng của anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu. Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh chỉ xảy ra nếu các thuê bao này cùng nằm trong một búp sóng khá hẹp (5o đến 10o). Lợi ích: giảm số lượng trạm phủ sóng, tăng hiệu quả sử dụng băng tần và dung lượng. Tìm hiểu về anten thông minh 5. CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH Hình 5.2 Giảm nhiễu đường truyền của anten thông minh Ưu điểm của hệ thống anten thông minh: Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến. Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell. Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay. Hạn chế chế của hệ thống anten thông minh: Hệ thống phức tạp, yêu cầu các trạm anten với bộ vi xử lý số và hệ thống điều khiển rất mạnh. Nên khi gặp sự cố khó chuẩn đoán hơn. Giá thành cao hơn. Tìm hiểu về anten thông minh 6. ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ANTEN THÔNG MINH Ứng dụng trong quân sự: truyền thông tin trên chiến trường dễ dàng và tin cậy hơn. Ứng dụng trong truyền thông vệ tinh. Ứng dụng trong hệ thống thông tin di động. Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây. Ứng dụng trong thu phát truyền hình chất lượng cao. Ứng dụng trong các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới 3G, WiMAX, LTE, WLAN… Tìm hiểu về anten thông minh 7. ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hệ thống anten thông minh nâng cao hiệu năng truyền thông di động. Công nghệ anten thông minh là giải pháp đầy hứa hẹn trong mạng truy nhập không dây băng thông rộng tốc độ cao trong tương lai. Sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên khan hiếm của truyền thông không dây hiện nay, phổ tần số RF. Tìm hiểu về anten thông minh KẾT LUẬN [1] Constantine A. Balanis, Panayiotis I. Ioannides, Introduction to Smart Antennas, the Morgan & Claypool Publisher’s series. [2] Ivica Stevanovic, Anja Skrivervik and Juan R. Mosig, Smart Antenna Systems for Mobile Communications, January 2003. [3] GS. Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, 2007. Tìm hiểu về anten thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO CẢM ƠN CÔ GIÁO VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý THEO DÕI! Thank You !